Proyecto H2020 BIOFERTICELLULASER: Papel de las celulasas bacterianas en la transición de vida libre a endófitos de raíces en cultivos de colza y en el diseño de biofertilizantes eficientes
- Tipo Proyecto
- Status Completado
- Ejecución 2017 -2019
- Presupuesto asignado 170.121,6 €
- Alcance Europeo
- Principal fuente de financiación H2020
- Sitio web del proyecto BIOFERTICELLULASER
Aislamiento de endófitos de B. napus con actividad PGP y capacidad para producir enzimas hidrolíticas en compuestos celulares vegetales: Mediante una combinación de medios ricos y mínimos para aislar una amplia biodiversidad de endófitos bacterianos, se obtuvo una colección de endófitos bacterianos de colza. Se evaluaron in vitro las características PGP y la producción de enzimas hidrolíticas en todos los aislados bacterianos, identificándose todas las cepas a nivel de especie. También se evaluó in planta la capacidad de los mejores aislados bacterianos seleccionados in vitro para promover el crecimiento vegetal.
Identificación de genes sobreexpresados durante la infección: La bacteria Pseudomonas brassicacearum CDVBN10 fue identificada como uno de los mejores promotores del crecimiento vegetal. Por lo tanto, se seleccionó para un análisis transcriptómico de la expresión génica en la superficie radicular. Se seleccionó un conjunto de genes bacterianos como potencialmente sobreexpresados durante la infección. Ninguno correspondió a una celulasa bacteriana. Por lo tanto, la hipótesis inicial del proyecto se adaptó a la evaluación del papel de otras enzimas bacterianas en la interacción con la planta. Nos centramos en un gen sobreexpresado que codifica una N-carbamoil putrescina amidasa, implicada en la biosíntesis de poliaminas.
Aislamiento de cepas mutantes: Utilizamos la edición genómica CRISPR/Cas para inactivar el gen que codifica la N-carbamoil putrescina amidasa en P. brassicacearum CDVBN10.
Estudio de fenotipos simbióticos de las cepas derivadas mutantes: Estudiamos el fenotipo simbiótico del mutante KO de la N-carbamoil putrescina amidasa en la colonización de raíces, la fijación de raíces, las deformaciones de los pelos radiculares y la infección de raíces. Acabamos de detectar un fenotipo mutante diferente en las deformaciones de los pelos radiculares: el WT induce la deformación de los pelos radiculares de B. napus, mientras que la cepa mutante muestra niveles de deformaciones de los pelos radiculares comparables al control no inoculado. El fenotipo se recupera con la adición de putrescina.
Análisis del papel de la N-carbamoil putrescina amidasa en la eficiencia de PGP: Comparamos la capacidad de las cepas WT y mutantes para promover el crecimiento de las plantas e inducir resistencia al estrés de las plantas a condiciones de estrés biótico (fitopatógeno Phoma lingam) y abiótico (salinidad), observando un deterioro significativo del mutante en estas capacidades. Los fenotipos se recuperan con la adición de putrescina.
Análisis de la eficiencia del endófito bacteriano PGP P. brassicacearum CDVBN10 en la infección de semillas de colza y el aumento de los rendimientos de los cultivos: P. brassicacearum CDVBN10 se ensayó en condiciones de campo como biofertilizante de semillas de colza. El género Pseudomonas fue uno de los taxones dominantes en las plantas inoculadas, lo que indica la efectividad de la bacteria para establecerse como endófito radicular en el campo. Además, el tamaño de la planta y la producción de semillas parecieron aumentar significativamente en las plantas inoculadas, lo que muestra su eficiencia como biofertilizante bacteriano para estos cultivos.
Según la FAO, en 2050 habrá 2.300 millones de personas más en el planeta, que necesitarán producir más alimentos, combatiendo simultáneamente la pobreza y el hambre existentes, utilizando los escasos recursos naturales de forma más eficiente y adaptándose al cambio climático.
Los fertilizantes químicos aumentan el rendimiento de los cultivos, pero tienen efectos negativos para la salud humana y animal, así como para el medio ambiente. La productividad de las plantas puede mejorarse mediante la actividad de las bacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGP), bacterias naturales capaces de modular el crecimiento vegetal gracias a sus actividades metabólicas. Sin embargo, salvo las cepas rizóbicas aplicadas a los cultivos de leguminosas, la mayoría de los biofertilizantes diseñados a partir de estudios in vitro fracasan al aplicarse en el campo. Este fracaso podría deberse a que, una vez aplicados en el suelo, las bacterias PGP seleccionadas in vitro deben competir con una amplia variedad de microorganismos presentes en el suelo y adaptarse a las diferentes condiciones abióticas de cada entorno (rango de temperatura, periodos de agua/desecación, etc.). Este hecho aumenta el interés del potencial PGP de los endófitos bacterianos (aquellas bacterias con la capacidad de entrar en la endorrizia (interior de la raíz)), ya que, una vez dentro de la planta, no necesitan competir con la densa población de bacterias en la rizosfera y están protegidas de condiciones abióticas extremas. Sin embargo, la colonización endofítica, aparte de las interacciones bien estudiadas entre rizobios y leguminosas, no se entiende bien. Arrojar más luz en los mecanismos por los cuales los endófitos entran activamente en las raíces probablemente permitirá grandes avances en la selección inteligente de cepas bacterianas que pueden actuar como biofertilizantes eficientes en cultivos no leguminosos.
Brassica napus L. (colza) es un cultivo importante debido a su cultivo no solo como recurso alimenticio (humano y animal), sino también para la producción de biodiesel. En Europa, las semillas de B. napus son la fuente principal de aceite para la producción de biodiesel. Sin embargo, el cultivo de colza requiere importantes cantidades de fertilizantes químicos y por lo tanto, las alternativas que permiten la reducción de la fertilización química para un cultivo más sostenible son muy deseables. Esto implica el uso de biofertilizantes, que incluyen bacterias endófitas PGP.
Por lo tanto, los objetivos de este proyecto fueron:
- Aislamiento de endófitos PGP de B. napus
- Identificación de genes sobreexpresados durante el proceso de infección.
- Aislamiento de cepas mutantes en genes codificantes de celulasa.
- Estudio de fenotipos simbióticos de las cepas mutantes derivadas.
- Análisis del papel de las celulasas bacterianas en la eficiencia de las PGP.
- Análisis de la eficiencia de bacterias seleccionadas para infectar colza y aumentar el rendimiento de los cultivos.
Uno de los principales retos de la humanidad durante las próximas décadas será aumentar la producción de alimentos aprovechando los recursos escasos y protegiendo el medio ambiente, siendo por ello una de las prioridades del Programa Europeo Horizonte 2020. La productividad de las plantas puede mejorarse mediante la actividad de las bacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGP), aplicadas en campos agrícolas como biofertilizantes o probióticos, constituyendo una forma respetuosa con el medio ambiente de aumentar el rendimiento de los cultivos. Los biofertilizantes se han aplicado en la agricultura durante décadas, pero en muchos casos las bacterias que mostraron un gran potencial como PGP en condiciones de laboratorio, fallan al aplicarse en suelos naturales, probablemente porque son superadas por las poblaciones microbianas nativas del suelo o porque no pueden adaptarse a las nuevas condiciones ambientales.
Basándose en el modelo Rhizobium-clover, se sabe que las celulasas bacterianas son cruciales en la entrada de bacterias a la raíz. Sin embargo, aún no se ha estudiado la implicación de estas enzimas en la entrada activa de endófitos bacterianos en cultivos no leguminosos. Este proyecto pretende investigar, mediante un enfoque transcriptómico y el aislamiento de cepas mutantes de endófitos, el papel de las celulasas en la capacidad de los endófitos para penetrar en las raíces de plantas no leguminosas, utilizando la colza (B. napus) como planta modelo. Si los genes que codifican celulasas permiten la infección radicular activa, con una ventaja sobre los mecanismos pasivos, la selección de cepas bacterianas no solo en función de su capacidad de PGP, sino también de su capacidad para penetrar en la planta —donde tienen menos competidores y están protegidas del estrés abiótico—, permitirá el diseño de biofertilizantes bacterianos más eficientes. El objetivo final de este proyecto es sentar las bases para el desarrollo de fertilizantes biológicos de base microbiana que permitan la reducción o incluso la supresión del uso de fertilizantes químicos (peligrosos para la salud humana y el medio ambiente, y que contribuyen al cambio climático), manteniendo o incrementando la producción de cultivos.
En este proyecto demostramos que el endófito bacteriano de colza Pseudomonas brassicacearum CDVBN10 es un fertilizante bacteriano de colza eficiente en condiciones de laboratorio y de campo y, además, induce resistencia de la planta a condiciones de estrés biótico y abiótico.
Además, con base en una transcriptómica de bacterias sobre la superficie de la raíz, encontramos que el gen que codifica una N-carbamoil putrescina amidasa, enzima implicada en la biosíntesis de poliaminas, estaba significativamente sobreexpresado, lo que indica un posible papel relevante en la interacción con la planta. La construcción de una cepa derivada mutante knockout mostró cómo el gen juega un papel relevante en la capacidad de la bacteria para promover el crecimiento de B. napus e inducir su resistencia a condiciones de estrés abiótico (salino) y al ataque de hongos fitopatógenos (Phoma lingam). Hasta donde sabemos, este es el primer informe sobre el efecto de la deleción de un gen implicado en la síntesis de poliaminas en una bacteria promotora del crecimiento vegetal sobre su capacidad para promover el crecimiento vegetal e inducir resistencia al estrés.
Por lo tanto, el proyecto se basa en el conocimiento existente sobre las interacciones entre plantas no leguminosas y bacterias PGP, necesario para un diseño más eficiente de fertilizantes bacterianos.Además, el proyecto demuestra el gran potencial de la cepa Pseudomonas brassicacearum CDVBN10 como biofertilizante para cultivos de colza, lo que permitiría reducir el uso de fertilizantes químicos en este cultivo, con un importante impacto positivo en el medio ambiente y la salud de los consumidores.
- UNIVERSIDAD DE SALAMANCA (USAL)
- UNIVERSITY OF GALWAY (OLLSCOIL NA GAILLIMHE)
- DEXMA SENSORS SL (DEXMA)
- ALBOA - ALMEN BOLIGORGANISATION AARHUS (ALBOA)
- FUNDACION TEKNIKER (TEKNIKER)
- DEVELCO PRODUCTS AS (Develco Products)
- COMHARCHUMANN FUINNIMH OILEAIN ARANN TEORANTA
- AURA RADGIVNING AS (LOKALENERGI HANDEL)
- INSTITUT MIHAJLO PUPIN (IMP)
- AURA A/S
- ENERGOMONITOR S.R.O (ENERGOMONITOR S.R.O)
- AALBORG UNIVERSITET (AAU)
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